Die große Erzählung der Komplexität: von Elementarteilchen bis zu den ersten Organismen

Die Grundbausteine: vom Quark zum Atom

Die Geschichte beginnt vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem „Urknall“, als das expandierende Universum die Entstehung der ersten Elementarteilchen ermöglichte. Quarks und Gluonen, die durch die starke Kernkraft eingeschlossen werden, erzeugen innerhalb weniger Mikrosekunden Protonen und Neutronen.

George Gamow(1904-1968) und Kollegen zeigten in den 1940er Jahren, dass die ursprüngliche Nukleosynthese (innerhalb der ersten 3 Minuten) die leichten Kerne erzeugte: \(^{1}H\), \(^{2}H\), \(^{3}He\) und \(^{4}He\). Schwerere Atome wie Kohlenstoff (\(^{12}C\)), die für das Leben lebenswichtig sind, werden sich, wie gezeigt wurde, erst viel später in Sternen bildenFred Hoyle(1915-2001) mit seinem berühmten Triple-Alpha-Verfahren.

Hinweis::
DERTriple-Alpha-Prozess(entdeckt vonFred Hoyleim Jahr 1954) ist die Sternreaktion, die das erzeugtKohlenstoff-12 (kohlenstoff 12): \( 3 \times ^{4}He \rightarrow ^{12}C + 7,27 \text{ MeV} \). Es erfordert einen Resonanzzustand von Kohlenstoff (Hoyle-Zustand bei 7,65 MeV) und kommt in Roten Riesensternen vor (T > 10).⁸ K).

Präbiotische Chemie: Wenn Moleküle zusammenkommen

Auf einer primitiven Erde vor 4,5 Milliarden Jahren waren die Bedingungen völlig anders: reduzierende Atmosphäre (CH₄, N.H.₃,H₂OH₂), hohe Temperaturen und reichlich Energie (Stürme, UV-Strahlung, vulkanische Aktivität).

Die historische Erfahrung vonStanley Miller(1930-2007) undHarold Urey(1893-1981) zeigte 1953, dass unter diesen Bedingungen Aminosäuren aus anorganischen Verbindungen hergestellt werden können. Neuere Werke wie die vonJohn Sutherland(1962-) enthüllte 2015 plausible Wege für die Synthese von Nukleotiden, den Bausteinen vonRNA (ribonukleinsäure).

Schlüsselphasen in der Entstehung des Lebens

• Quellen:Martin et al. (2016) (neues Fenster), Sutherland (2015) (neues Fenster),

Die Welt der RNA: die erste Genomhypothese

Ursprung der Hypothese

Die „Welt zuRNA (ribonukleinsäure)» Unabhängig vorgeschlagen vonWalter Gilbert (1932-), Carl Woese(1928-2012) undLeslie Orgel(1927-2007) schlug in den 1980er Jahren vor, dass RNA das erste Molekül sei, das sowohl genetische Informationen speichern als auch chemische Reaktionen katalysieren könne (Ribozyme).

Ein Molekül mit zwei Funktionen

Die „RNA-Welt“-Hypothese besagt, dass Ribonukleinsäure (RNA) bei der Entstehung des Lebens sowohl Träger genetischer Informationen als auch ein chemisches Werkzeug war, das Reaktionen beschleunigen konnte. Im Gegensatz zu DNA, die stabiler, aber „passiver“ ist, und Proteinen, die sehr effizient, aber nicht in der Lage sind, Informationen zu speichern, könnte RNA diese beiden Rollen erfüllt und so die Entstehung der ersten lebenden Systeme erleichtert haben.

Training in der primitiven Umgebung

Die spontane Bildung von RNA-Ketten in einer primitiven Umgebung war nicht einfach: Die Bindungen zwischen ihren Bausteinen (den Nukleotiden) brechen in Wasser leicht. Mineralische Oberflächen oder bestimmte Ionen (z. B. Magnesium) könnten die Rolle von „Katalysatoren“ gespielt haben und dabei geholfen haben, diese Steine ​​zusammenzufügen. Auch Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeitszyklen könnten diese Reaktionen begünstigt haben.

Ribozyme: natürliche Katalysatoren

RNA ist nicht nur ein Datenfaden: Sie kann sich auch biegen und Strukturen bilden, die chemische Reaktionen beschleunigen, sogenannte Ribozyme. Diese kleinen „Werkzeuge“ aus RNA zeigen, dass ein einzelnes Molekül sowohl Informationen enthalten als auch deren Reproduktion bewirken kann.

Genauigkeit und Größe früher Genome

Das originalgetreue Kopieren eines RNA-Strangs ist für die Aufrechterhaltung einer Botschaft von entscheidender Bedeutung. Je länger der Strang ist, desto größer ist das Fehlerrisiko. Die ersten Genome mussten daher kurz bleiben oder in kleinen, miteinander kooperierenden Teilen organisiert sein, statt in einer langen, fragilen Kette.

Die Formen und Faltung der RNA

RNA nimmt verschiedene Formen an: Helices, Schleifen, Knoten usw. Diese Formen bestimmen ihre Fähigkeiten: Je nachdem, wie sie sich faltet, kann eine RNA als Vorlage für die Selbstkopie dienen oder als Katalysator fungieren. Temperatur, Wasser- oder Salzkonzentration beeinflussen diese Faltung.

Günstige Umgebungen auf der frühen Erde

Forscher gehen davon aus, dass die Urerde vielfältige Umgebungen bot: Ton, heiße Quellen, Seeufer, die Verdunstungszyklen unterworfen waren. Diese Orte könnten Moleküle konzentrieren, ihren Zusammenbau anregen und die Entstehung kleiner, sich selbst erhaltender Systeme fördern.

Kooperative Netzwerke

Anstelle eines einzelnen großen „Vorfahren“ könnte das Leben als Netzwerk von RNA-Fragmenten begonnen haben die sich gegenseitig halfen, sich gegenseitig zu kopieren und Reaktionen zu katalysieren. Diese kooperativen Ensembles hätten es ermöglicht, die Fragilität isolierter Moleküle zu überwinden.

Herausforderungen und Perspektiven

Es bleiben Herausforderungen bestehen: die Bausteine ​​der RNA unter präbiotischen Bedingungen effizient herzustellen, zu zeigen, dass sich RNA tatsächlich ohne Hilfe selbst kopieren kann, und zu verstehen, wie DNA und Proteine ​​dann die Kontrolle übernahmen. Aber die Hypothese des „ersten Genoms“ bleibt ein faszinierender Weg, um zu erklären, wie Chemie in Biologie umgewandelt werden könnte.

Der Übergang zuDNA (desoxyribonukleinsäure)und Proteine

Der Übergang von einer Welt zuRNA (ribonukleinsäure)zu unserer aktuellen Biochemie basierend auf derDNA (desoxyribonukleinsäure)-Proteine ​​bleiben eines der größten Rätsel.Eugene Koonin(1956-) und seine Kollegen schlugen 2017 diesen Übergang vor erfolgte über primitive Viren, die Gene zwischen Protozellen übertragen können.

Die ersten Zellen (LUCA -Letzter universeller gemeinsamer Vorfahre) sind wahrscheinlich 3,8 bis 3,5 Milliarden Jahre alt. Ihr Stoffwechsel basierte wahrscheinlich auf:

• Der umgekehrte Krebszyklus (CO-Fixierung).₂)
• Die Atmungskette mit H₂und CO₂
• Coenzyme wieATP (adenosintriphosphat)Primitive

Phylogenetische Analysen vonWilliam Martin(1957-) legen nahe, dass LUCA in alkalischen hydrothermalen Umgebungen (pH 9–11, 50–90 °C) lebte, ähnlich wie verlorene Quellen (Verlorene Stadt) im Jahr 2000 im Atlantik entdeckt.

Aktuelle Herausforderungen und Wege für die Forschung

Mehrere wichtige Fragen bleiben offen:

• Chiralität: Warum nutzt das Leben ausschließlichAA (aminosäuren)L- und D-Zucker?
• Kompartimentierung: Wie entstanden die ersten Membranen (wahrscheinlich auf der Basis von Fettsäuren) und wie entwickelten sie sich zu modernen Phospholipiden?
• Energie: Was war das erste Energieumwandlungssystem (vor demATP (adenosintriphosphat)Synthase)?
• Information: Wie der genetische Code (mit seinen 22AA (aminosäuren)Standard) ist es eingefroren?

Philosophische und exobiologische Implikationen

Dieses Verständnis der Entstehung des Lebens hat tiefgreifende Auswirkungen:

• Universalität: Wenn Leben „leicht“ aus der Chemie hervorgeht, könnte es im Universum häufig vorkommen (Prinzip vonChristian de Duve (1917-2013))
• Kontingenz: Umgekehrt,Stephen Jay Gould(1941-2002) betonte, dass jeder Schritt von ganz spezifischen Bedingungen abhängt
• Definition des Lebens: Klassische Kriterien (Stoffwechsel, Fortpflanzung, Evolution) werden durch präbiotische Systeme in Frage gestellt
• Herkunft der Informationen: Wie lässt sich der Anstieg der Informationskomplexität (von 0 Bit auf ~10) erklären?⁹Bits fürE. coli)?